專利名稱：一種光刻機硅片臺雙臺交換系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光刻機硅片臺雙臺交換系統，該系統應用于半導體光刻機中，屬于 半導體制造設備技術領域。
背景技術：
在集成電路芯片的生產過程中，芯片的設計圖形在硅片表面光刻膠上的曝光轉印 (光刻)是其中最重要的工序之一，該工序所用的設備稱為光刻機(曝光機)。光刻機 的分辨率和曝光效率極大的影響著集成電路芯片的特征線寬(分辨率)和生產率。而作
為光刻機關鍵系統的硅片超精密運動定位系統(以下簡稱為硅片臺)的運動精度和工作 效率，又在很大程度上決定了光刻機的分辨率和曝光效率。
步進掃描投影光刻機基本原理如圖1所示。來自光源45的深紫外光透過掩模版47、 透鏡系統49將掩模版上的一部分圖形成像在硅片50的某個Chip上。掩模版和硅片反 向按一定的速度比例作同步運動，最終將掩模版上的全部圖形成像在硅片的特定芯片 (Chip)上。
硅片臺運動定位系統的基本作用就是在曝光過程中承載著硅片并按設定的速度和 方向運動，以實現掩模版圖形向硅片上各區域的精確轉移。由于芯片的線寬非常小(目 前最小線寬已經達到45nm)，為保證光刻的套刻精度和分辨率，就要求硅片臺具有極高 的運動定位精度；由于硅片臺的運動速度在很大程度上影響著光刻的生產率，從提高生 產率的角度，又要求硅片臺的運動速度不斷提高。
傳統的硅片臺，如專利EP0729073和專利US 5996437所描述的，光刻機中只有一 個硅片運動定位單元，即一個硅片臺。調平調焦等準備工作都要在上面完成，這些工作 所需的時間很長，特別是對準，由于要求進行精度極高的低速掃描(典型的對準掃描速 度為lmm/s)，因此所需時間很長。而要減少其工作時間卻非常困難。這樣，為了提高 光刻機的生產效率，就必須不斷提高硅片臺的步進和曝光掃描的運動速度。而速度的提 高將不可避免導致系統動態性能的惡化，需要采取大量的技術措施保障和提高硅片臺的 運動精度，為保持現有精度或達到更高精度要付出的代價將大大提高。
專利W098/40791 (
公開日期1998.9.17;國別荷蘭)所描述的結構采用雙硅片 臺結構，將上下片、預對準、對準等曝光準備工作轉移至第二個硅片臺上，且與曝光硅 片臺同時獨立運動。在不提高硅片臺運動速度的前提下，曝光硅片臺大量的準備工作由 第二個硅片臺分擔，從而大大縮短了每片硅片在曝光硅片臺上的工作時間，大幅度提高 了生產效率。然而該系統存在的主要缺點在于硅片臺系統的非質心驅動問題。
本申請人在2003年申請的發明專利"步進投影光刻機雙臺輪換曝光超精密定位硅 片系統"(專利申請號ZL03156436.4)公開了一種帶雙側直線導軌的雙硅片臺交換結 構，該雙硅片臺系統在工作空間上不存在重疊，因此不需采用碰撞預防裝置。但是該雙 硅片臺系統也存在一些問題， 一是該系統要求極高的導軌對接精度；二是該系統雙側導 軌只有一側空間被同時利用，導致該硅片臺系統外形尺寸較大，這對于對設備空間利用 率要求較嚴的半導體芯片廠商而言無疑顯得非常重要。三是該系統硅片臺交換時需釆用 帶驅動裝置的橋接裝置，從而增加了系統的復雜性。

發明內容
針對現有技術的不足和缺陷，本發明的目的是提供一種光刻機硅片臺雙臺交換系 統，以克服已有硅片臺雙臺交換系統存在非質心驅動、結構復雜以及要求極高的導軌對 接精度等缺點，使其具有結構簡單，空間利用率高以及無需對接輔助裝置等優點，進而 提高光刻機的曝光效率。
本發明的技術方案如下
一種光刻機硅片臺雙臺交換系統，該系統含有運行于曝光工位的硅片臺和運行于預 處理工位的硅片臺，所述的兩個硅片臺設置在一基臺上，其特征在于在所述的基臺邊 緣設置有4個沿X向和Y向運動的雙自由度驅動單元，兩個硅片臺位于4個雙自由度
驅動單元圍成的空間內，并通過氣浮軸承懸浮在基臺上表面，所述的每個雙自由度驅動 單元包括上直線導軌、下直線導軌和導套，上直線導軌和下直線導軌呈十字安裝在導套 中。所述的雙自由度驅動單元與硅片臺之間通過永磁預載的氣浮軸承連接。硅片臺實現
X向或Y向的運動是通過一個雙自由度驅動單元的上直線導軌對硅片臺施加推力或拉 力，另一個相鄰驅動單元的下直線導軌跟隨硅片臺做等速同向同步運動實現。
本發明所述的上直線導軌和下直線導軌中均安裝有直線電機和氣浮軸承。所述的4 個雙自由度驅動單元位于基臺邊緣的凹槽中。
本發明的技術特征還在于所述的上直線導軌和下直線導軌上均安裝有線性光柵，
用于作雙自由度驅動單元的位置反饋。
本發明的又一技術特征是該系統還包含用于硅片臺運動位置反饋的雙頻激光干涉儀。
本發明與現有技術相比，具有以下突出性的優點 一是該系統的雙自由度驅動單元 與硅片臺之間通過帶永磁預載或/和真空預載的空氣軸承相連，因此避免了采用對接導軌 所帶來的要求極高的導軌對接精度，以及需增加對接輔助裝置等缺陷，大大簡化了系統 結構，二是該系統雙臺交換采用4個完全相同的2自由度驅動單元實現，系統的復雜性 大大降低。


圖1為光刻機的工作原理示意圖。
圖2為本發明提供的光刻機硅片臺雙臺交換系統及其交換前的狀態圖。
圖3顯示了雙自由度驅動單元的結構。
圖4顯示了導套和上直線導軌的結構。
圖5硅片臺與雙自由度驅動單元之間的聯接方式
圖6顯示了交換前兩個硅片臺運動到交換位置的狀態圖。
圖7顯示了交換后兩個硅片臺在交換位置的狀態。
圖8顯示了系統完成交換后的狀態。
圖9為硅片臺采用激光干涉儀作位置反饋的測量方案。
圖中
l一基臺；
2—基臺上表面； 5 —凹槽；
6— 曝光工位；
7— 預處理工位；
10—曝光工位的硅片臺； 12—預處理工位的硅片臺；
21— 第一雙自由度驅動單元；
22— 第二雙自由度驅動單元；
23— 第三雙自由度驅動單元；
24— 第四雙自由度驅動單元； 30—下直線導軌；
30a—下直線電機定子；
30b—下直線電機動子；
35 —導套；
40—上直線導軌；
40a—上直線電機定子；
40b—上直線電機動子；
45—光源；
47—掩模版；
49一透鏡系統；
50—硅片；
60a—下直線導軌側向閉式預載氣浮軸承60b—下直線導軌垂直向永磁預載氣浮軸承； 61a—上直線導軌側向閉式預載氣浮軸承 61b—上直線導軌垂直向永磁預載氣浮軸承 80—永磁預載或(和)的氣浮軸承 100a—上直線導軌線性光柵 100b—下直線導軌線性光柵；
IIO—長行程反射鏡； 111一45度彎光鏡； 112—上反射鏡； 115—雙頻激光干涉儀。
具體實施例方式
圖2顯示了光刻機硅片臺雙臺交換系統的結構示意圖，該系統含有基臺l，運行于 曝光工位6的硅片臺10，運行于預處理工位7的硅片臺12，以及設置在基臺邊緣的4 個沿X向和Y向運動的雙自由度驅動單元。兩個硅片臺位于4個雙自由度驅動單元圍 成的空間內，并通過氣浮軸承懸浮在基臺上表面。每個雙自由度驅動單元包含上直線導 軌40、下直線導軌30和導套35,上直線導軌和下直線導軌呈十字安裝在導套中。雙自 由度驅動單元與硅片臺之間通過永磁預載或/和真空預載的氣浮軸80承連接。
圖3、 4顯示了雙自由度驅動單元的結構及氣浮軸承的布置。上直線導軌40頂面安 裝有線性光柵100a，下直線導軌30中也安裝有線性光柵100b，用于雙自由度驅動單元 位置反饋。上直線導軌和下直線導軌中均裝有直線電機和氣浮軸承，直線電機由永磁組 和線圈組成；上直線導軌40中直線電機的線圈作為上直線電機定子40a安裝在導套35 中，永磁組作為直線電機動子40b安裝在上直線導軌中，驅動硅片臺運動。下直線導軌 30中直線電機的永磁組作為該直線電機定子30a安裝在基臺凹槽5中，與之對應的線圈 作為該直線電機動子30b安裝在導套35中。
圖3還顯示了雙自由度驅動單元中氣浮軸承的布置位置。上直線導軌和下直線導軌 中安裝均安裝有氣浮軸承。下直線導軌通過下直線導軌側向閉式預載氣浮軸承60a、下 直線導軌垂直向永磁預載氣浮軸承60b支撐在基臺凹槽5中，上直線導軌中的上直線導 軌側向閉式預載氣浮軸承61a、上直線導軌垂直向永磁預載氣浮軸承61b布置在導套35 內側面和底面，如圖3中所示。
圖5顯示了硅片臺與雙自由度驅動單元之間的聯接方式。二者通過永磁預載的空氣 軸承80聯接。
如圖2、 3、 4所示，硅片臺12沿X向的運動通過雙自由度驅動單元21中的上直線 導軌40的推動或拉動實現，其相鄰的雙自由度驅動單元22此時位于該硅片臺的側面，
其下直線導軌30與雙自由度驅動單元21中的上直線導軌40作等速同向同步的跟隨運 動，此時雙自由度驅動單元22中的上直線導軌40的位置保持不變，從而實現硅片臺沿 X向運動。硅片臺12沿Y向運動通過雙自由度驅動單元22中的上直線導軌40的推動 或拉動實現，其相鄰的雙自由度驅動單元21中的下直線導軌30與雙自由度驅動單元22 中的上直線導軌40作等速同向同步的跟隨運動，此時雙自由度驅動單元21中的上直線 導軌40的位置保持不變，從而實現硅片臺沿Y向運動。另外一組雙自由度驅動單元23、 24驅動硅片臺IO運動的工作原理與上述原理相同。
系統完成硅片臺雙臺交換的過程如圖2、圖6-8所示。硅片臺10和12交換以前， 如圖2所示硅片臺所處位置作為起始位置，第一雙自由度驅動單元21和第二雙自由度 驅動單元22中的上直線導軌通過空氣軸承80推(拉)動硅片臺12在曝光工位6作曝 光運動，與此同時第三雙自由度驅動單元23、第四雙自由度驅動單元24中的上直線導 軌通過空氣軸承80推(拉)動硅片臺10在預處理工位7作預處理運動。
在硅片臺各自完成預處理和曝光工序后，系統進入雙臺交換狀態，如圖6-8所示。 此時第一雙自由度驅動單元21通過下直線導軌30運動到曝光工位的硅片臺IO的側面， 第三雙自由度驅動單元23通過下直線導軌30運動到預處理工位的硅片臺12的側面， 這樣硅片臺10由交換前由雙自由度驅動單元23、 24驅動變為由雙自由度驅動單元21、 24驅動并且由交換前的預處理工位運行至曝光工位；而硅片臺12改為由22、 23驅動并 且由交換前的曝光工位運行至預處理工位，從而完成了兩個硅片臺位置的交換，并開始 下一個循環。圖6顯示了第一雙自由度驅動單元21和第三雙自由度驅動單元23側向移 動前的位置，圖7為第一雙自由度驅動單元21和第三雙自由度驅動單元23側向移動后 的位置。
圖9顯示了本發明采用雙頻激光干涉儀115作為位置反饋的空間布置形式。硅片臺 安裝有L型的長行程反射鏡llO，并安裝有一個45度彎光鏡111，該彎光鏡用以測量硅 片臺在豎直方向的微小位移。由于該測量系統與硅片臺定位系統在物理上通過隔振裝置 隔離，因此本圖僅表示雙頻激光干涉儀的空間布置。本測量方案可對每個硅片臺在空間 的6個自由度進行高精度測量并實現最終位置反饋。
權利要求
1.一種光刻機硅片臺雙臺交換系統，該系統含有運行于曝光工位(6)的硅片臺(10)和運行于預處理工位(7)的硅片臺(12)，所述的兩個硅片臺設置在一基臺(1)上，其特征在于在所述的基臺邊緣設置有4個沿X向和Y向運動的雙自由度驅動單元，兩個硅片臺位于4個雙自由度驅動單元圍成的空間內，并通過氣浮軸承懸浮在基臺上表面；所述的每個雙自由度驅動單元包括上直線導軌(40)、下直線導軌(30)和導套(35)，上直線導軌和下直線導軌呈十字安裝在導套中；所述的雙自由度驅動單元與硅片臺之間通過永磁預載或/和真空預載的氣浮軸承(80)連接；硅片臺實現X向或Y向的運動是通過一個雙自由度驅動單元的上直線導軌對硅片臺施加推力或拉力，另一個相鄰驅動單元的下直線導軌跟隨硅片臺做等速同向同步運動實現。
2. 按照權利要求1所述的一種光刻機硅片臺雙臺交換系統，其特征在于所述的上直線 導軌和下直線導軌中均安裝有直線電機和氣浮軸承；上直線導軌40中直線電機的線圈作為上 直線電機定子(40a)安裝在導套(35)中，永磁組作為直線電機動子(40b)安裝在上直線 導軌中，驅動硅片臺運動；下直線導軌(30)中直線電機的永磁組作為該直線電機定子G0a) 安裝在基臺凹槽(5)中，與之對應的線圈作為該直線電機動子(30b)安裝在導套(35)中。
3. 按照權利要求1或2所述的一種光刻機硅片臺雙臺交換系統，其特征在于所述的4 個雙自由度驅動單元位于基臺邊緣的凹槽(5)中。
4. 按照權利要求3所述的一種光刻機硅片臺雙臺交換系統，其特征在于在所述的上直 線導軌和下直線導軌上分別安裝有用于作雙自由度驅動單元位置反饋的線性光柵(100a、 聽)
5. 按照權利要求1所述的一種光刻機硅片臺雙臺交換系統，其特征在于該系統還包含 用于硅片臺運動位置反饋的雙頻激光干涉儀(115)。
全文摘要
一種光刻機硅片臺雙臺交換系統，該系統含有運行于曝光工位的硅片臺和運行于預處理工位的硅片臺，兩個硅片臺設置在一基臺上，在基臺邊緣設置有4個沿X向和Y向運動的雙自由度驅動單元，兩個硅片臺位于4個雙自由度驅動單元圍成的空間內，并通過氣浮軸承懸浮在基臺上表面；每個雙自由度驅動單元包括上、下直線導軌和導套，上直線導軌安裝在導套中；兩個雙自由度驅動單元相互配合驅動硅片臺實現X向或Y向的運動。本發明避免了采用對接導軌所帶來的要求極高的導軌對接精度，以及需增加對接輔助裝置等缺陷，大大簡化了系統結構，二是該系統雙臺交換采用4個完全相同的兩自由度驅動單元實現，系統的復雜性大大降低。
文檔編號H01L21/027GK101101454SQ20071011927
公開日2008年1月9日 申請日期2007年7月19日 優先權日2007年7月19日
發明者尹文生, 鳴 張, 徐登峰, 煜 朱, 廣 李, 段廣洪, 汪勁松, 賈松濤 申請人:清華大學